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使用RS-485和电流回路接口实现可靠的工业连接

尽管蓝牙,以太网和其他连接选项广泛普及并支持高数据速率,但工业应用设计人员仍然需要确保以最低的成本获得最可靠的连接。他们还必须在安装的连接选项基础范围内工作。
由于这些原因以及其他原因,传统的4-20 mA电流回路和RS-485接口仍然被广泛使用,并不断改进,并正在为新的安装而设计。这两种格式不仅有很大的基础。在适当的情况下使用时,他们可以有效解决界面问题,并且头痛最小。
电流回路和RS-485的优点包括简化设计,设置和故障排除。此外,电流回路和RS-485仅定义了七层网络模型的最低物理接口层,既没有标准定义特定的握手协议或数据格式。因此,用户可以选择以尽可能小或复杂的程度来使用它们,因为它们需要有效解决其特定传感器接口问题,并且系统负担最小。
为了让设计人员充分利用4-20 mA电流环路和RS-485传感器接口格式的特性,IC供应商致力于扩展这些传统接口的覆盖范围和多功能性。他们还增加了功能,功能和功能,以简化使用,提高性能并提高可靠性。
本文将回顾RS-485和4 - 20 mA电流环传感器接口格式的基础知识。然后它将介绍接口解决方案,解释其增强功能和性能特征以及如何使用它们来解决实际设计问题。

回顾界面基础知识

4 - 20 mA电流回路和RS-485是非常不同的接口方式,尽管它们都广泛用于工业监控和数据采集系统(SCADA)。它们为报告物理因素(如温度,开关位置和电动机状况)的换能器提供电气连接,或者提供直接操作(如调节阀门设置和电动机速度)。
4 - 20 mA模拟电流回路(也称为20 mA回路或0 - 20 mA回路)是一个非常古老的标准,可以追溯到使用电路代替气动信号的早期日子。其原理非常简单:4 mA电流代表“无信号”,而20 mA是满量程信号(图1)。信号是一个经过调节和读数的热电偶,例如,或一个指导阀门的开/关动作的信号。
4  -  20 mA电流回路图
图1:4-20 mA电流回路的原理是基本的:模拟电流表示来自传感器的信号,其中4 mA为零输出,20 mA为满量程输出; 它也可以用来驱动传感器。(图片来源:美国国家仪器)
正如其名称所示,当前的循环不是像巴士一样的标准; 相反,每个传感器都有自己的环路。由于电流回路是低阻抗电路(与电压互连不同),因此回路对拾取干扰噪声和EMI / RFI相对不敏感,这两种情况在工业环境中都很常见。
虽然每个换能器使用一个回路在物理线路方面是昂贵的,但这也意味着每个换能器接口与其他换能器接口是独立的; 因此,任何给定回路的短路或开路等问题都不会对其他回路产生影响,因此它提供了高度的置信度。此外,由于电流降至0毫安,而最低有效换能器信号为4毫安,因此系统可以轻松检测环路断线。
最后,可以使用回路电流本身来为换能器及其接口供电,仅使用回路不用于其信号范围的4mA电流。由于每个换能器不需要单独的回路电源,因此这产生了非常低成本的系统实现。
相反,RS-485电压接口标准(现在正式称为TIA / EIA-485A)允许在一条总线上连接多个收发器(图2)。它通常与多达30个收发器一起使用,但可与更多其他设备一起使用。它是传奇RS-232和相关的RS-422和RS-423标准的多点超集,可以设置为半双工或全双工操作。互连布线采用低成本差分(平衡)双绞线布线以最大限度地减少噪声拾取,一对用于半双工,两对用于全双工操作。
RS-485标准图支持多个收发器
图2:RS-485标准支持多点总线上的多个收发器,使用两条半双工线和四条全双工线。 (图片来源:德州仪器
所有接收机可以同时收听,但在给定时间只能有一个RS-485发射机处于活动状态。其他人处于“三态”模式,表现为高阻抗,因此对公共汽车“隐形”。为了消除线路反射,每个电缆端都用一个与电缆特性阻抗相匹配的电阻来终结。这种并行端接方法可以在较长的电缆上提供更高的数据速率。
为了适应多个潜在的发射机,系统必须实施一种安排,以确保没有数据冲突,使用顺序轮询或通过控制请求。虽然这可能会限制吞吐量,但这通常不是主要问题,因为这种系统的总体数据负载相对较低。它可以支持原始数据速率达到几兆比特每秒(Mbps)和4,000英尺(尽管不是在同一时间,因为存在速度与距离之间的折衷),并且在使用布线方面是有效的,因为一对导线是连接所有用户所需的全部。

增强电流回路和RS-485

尽管电流回路和RS-485接口以及支持它们的元件列表都有很长的历史和成熟度,但它们既用于新设计,也用于升级现有设备。新的设计获胜正在发生在其使用简单,格式/协议的灵活性,成本效益和低功耗有意义的情况下。
因此,现在可以使用IC来增加额外的功能和特性来扩展其使用范围并满足当今安装的需求。其中包括较低的功率操作,改进的ESD保护,较高的速度,甚至电流(欧姆)隔离。
低功耗操作:当然,需要低功耗操作以达到提高效率的系统目标,但同时也降低了组件热负载和冷却需求,从而提高了整体可靠性。
为了满足这些需求,看MAX12900AATJ +从美信集成。这是一款超低功耗,高度集成的4 - 20 mA传感器变送器,其主要功能是将传感器微控制器的脉宽调制(PWM)数据转换为4 - 20 mA的电流。为了实现完整灵活的信号调理,该器件集成了十个功能,包括PWM输入,两个低漂移通用运算放大器,一个零偏移低漂移运算放大器,两个比较器,一个上电序列发生器,一个低漂移基准电压源,和宽输入电源电压LDO。
尽管具备所有这些功能,但MAX12900AATJ +的电源电流低于200微安(μA),因此可以通过“未使用”的4 mA环路电流轻松供电。作为一个以工业为中心的组件,设计人员应该利用其重要的诊断功能,如电源轨监视,输出电流回读以及开路和故障检测。它的尺寸也很小,采用32引脚TQFN封装,尺寸为5 mm×5 mm,可与传感器一起安装。
虽然4 - 20 mA环路的基本操作非常简单,但MAX12900AATJ +不是一个简单的IC; 也许由于这个原因,该数据表拥有超过90个静态和动态性能图,示波器照片,操作特性和应用设计原理图。IC在工业环境中的温度和电源电压稳定性方面都很稳定(图3)。
Maxim MAX12900AATJ +电流环路发送器的图形
图3:Maxim MAX12900AATJ +电流环变送器的特性之一是其电源电流对温度(左)和电源电流与电源电压(右)的稳定性。(图片来源:Maxim Integrated)
另一种低功耗器件是德州仪器的SN65HVD37 RS-485全双工驱动器/接收器。该IC采用3.3 V电源供电,具有低电流待机模式,要求低于1μA(典型值),工作静态电流低于1 mA。收发器IC低电压工作的一个关键问题是其低噪声裕度和抗噪声性能,但SN65HVD37将强大的差分驱动器与具有60毫伏高噪声抗扰度的接收器(图4)相结合。
来自德州仪器的SN65HVD37 RS-485全双工驱动器/接收器图
图4:德州仪器(TI)的SN65HVD37 RS-485全双工驱动器/接收器采用低电压轨工作,但具有增强的抗噪声能力,这是工业系统的一个考虑因素。(图片来源:德州仪器)
无故障的上电和掉电设计为热插拔应用提供保护,当公共总线上有许多其他有源单元并且其关机将成为主要头痛时,这是日益重要的修复考虑因素。它也是针对无效总线状态的“故障安全”接收器操作而设计的。
这些可能由开放的总线条件引起,如断开的连接器; 短路的母线条件,如电缆损坏,双绞线短路在一起; 或当总线上没有驱动器正在主动驱动时发生的空闲总线条件。在这些情况下,差分接收器输出保证为逻辑高电平状态,确保接收器的输出不处于不确定状态。
ESD和瞬态保护:虽然所有4 - 20 mA和RS-485集成电路均具有一定程度的保护,但小型高功能IC的工艺几何尺寸更紧密,意味着使用它们的设计人员越来越担心ESD /瞬态引起的故障,因此供应商正在增加额外的内部保护结构。
例如,Maxim Integrated MAX22502E是一款100 Mbit / s全双工RS-485 / RS-422收发器,适用于长电缆。它通过包含用户可设置的补偿线路感应失真的发送波形的预加重,从而降低符号间干扰(ISI)和相关的误码率(BER)(图5),从而达到这一速度。所有这些都采用3×3毫米封装。
Maxim Integrated MAX22502E RS-485收发器图
图5:Maxim Integrated MAX22502E RS-485收发器在驱动器中包含预加重功能,可将因长电缆导致的ISI降至最低,从而确保低BER。(图片来源:Maxim Integrated)
然而,它适用于长线也意味着它很可能成为ESD和瞬变的“受害者”。为了克服这个问题,MAX22502E集成了额外的ESD保护,超出了这些IC标准的3至5千伏电平。这种保护功能增强了鲁棒性,从基本的-15伏至+15伏共模范围开始,再加上防止短路的驱动器输出。然后它增加了对各种增强型ESD标准的遵守,包括±15千伏ESD保护(人体模型,HBM); ±7千伏IEC61000-4-2气隙​​ESD保护; 和±6千伏IEC61000-4-2接触放电ESD保护。
对于RS-485应用,德州仪器(TI)提供THVD1500低功耗3.3伏全双工驱动器/接收器,用于电表,逆变器,HVAC系统和视频监控系统。该器件采用5 V单电源供电,具有宽共模电压范围和低总线引脚输入泄漏,适用于长距离电缆敷设的多点应用。
虽然它是低速设备(最高256 Kbits / s),但其总线上的低单位负载允许为大型网络连接多达256个收发器。它为±16千伏HBM ESD提供了广泛的保护; ±8千伏IEC 61000-4-2接触放电; ±10千伏IEC 61000-4-2气隙​​放电; 和±2千伏IEC 61000-4-4快速瞬态突发。
尽管RS-285收发器(如THVD1500)在相对较低的数据速率下工作,但比特率,电缆长度和恶劣工业环境的组合意味着设计布局和相关组件的选择是成功应用的关键因素(图6)。有效使用需要特别关注印刷电路板(印刷电路板)布局,使用离散瞬态保护器件(除了其实质内部保护)以及低电感接地层。此外,指导瞬态感应电流的流动,在IC附近使用旁路电容,并使用额外的上拉和下拉电阻来限制噪声电流是很明智的(图6)。
德州仪器(TI)THVD1500 RS-285收发器的示意图
图6:在工业环境中使用THVD1500时,请密切注意正确的印刷电路板布局,并在靠近总线连接器(1)处包括保护电路。将旁路电容尽可能靠近收发器(4)的V CC引脚; 使用两个过孔用于V CC  和旁路电容和保护设备的接地连接,以最小化有效通路电感(5); 并应用上拉和下拉电阻“启用”线路来限制瞬态事件期间的噪声电流(6)。(图片来源:德州仪器)
电隔离:有些情况下需要电流输入/输出隔离,这意味着输入和输出之间没有欧姆导电路径,但数据必须通过隔离栅。需要采取隔离措施来保护系统及其用户免受可能在节点输出端施加过高电压的输入故障。在总线侧出现故障可能损坏输入变送器的情况下,也需要进行保护。另外,将各种换能器接地彼此隔离,消除了接地回路以及它们引起的微妙的,通常令人沮丧的问题。
也许最重要的是,隔离也意味着输入端节点故障,如对地或电源轨短路,不会影响总线及其节点的其余部分。
隔离器件的一个很好的例子是ADI公司的 ADM2795E,一个RS-485收发器,在其总线引脚上具有高达±42伏的AC / DC峰值总线过压故障保护,外加5千伏(rms)输入到输出隔离(图7)。
除了满足与主要关注ESD的器件相比具有相当或更高额定值的各种IEC 61000 ESD要求外,ADM2795E还符合IEC 61000-4-x跨越隔离栅的抗干扰能力; IEC 61000-4-2 ESD,IEC 61000-4-4 EFT,IEC 61000-4-5浪涌; 和IEC 61000-4-6传导射频抗扰度,IEC 61000-4-3辐射抗扰度和IEC 61000-4-8抗磁抗扰度标准,并提供大于75千伏/微秒(μs)的共模瞬态抗扰度。
多个ADI公司ADM2795E收发器的示意图(点击放大)
图7:多个模拟设备ADM2795E收发器可用于实现半双工RS-485通信网络,其中每个节点完全隔离,因此即使传感器故障也不会干扰总线。(图片来源:Analog Devices)
ADM2795E采用16引脚宽SOIC封装,工作电压范围为1.7 V至5.5 V,可与低压逻辑电源相连。内部隔离功能无需设计,设备完全符合TIA / EIA RS-485 / RS-422要求。
尽管电气隔离设备可能会带来额外的BOM成本和占地面积,并且需要隔离电源,但它们提供的主要优势是传感器端的故障不能被允许“关闭”总线。

结论

尽管他们年龄大了,但RS-485接口和4-20 mA电流回路仍然广泛用于工业环境。新型系统和升级系统在降低功耗,范围,提高ESD抗扰度和电隔离方面对接口组件提出了更高的性能要求。如图所示,供应商正在响应这些需求,并且这样做扩大了这些传统接口标准的可行性。

(责任编辑:ioter)

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